sincronizacion de cilindros hidraulicos

156
SINCRONIZACIÓN DE CILINDROS HIDRÁULICOS CON CARGA ASIMÉTRICA OSCAR MAURICIO ARIZA ARENAS FREDY GIOVANNI GÁMEZ TOLOZA UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICOMECÁNICAS ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA BUCARAMANGA 2011

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Sincronizacion de Cilindros Hidraulicos con carga asimetrica

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  • SINCRONIZACIN DE CILINDROS HIDRULICOS CON CARGA ASIMTRICA

    OSCAR MAURICIO ARIZA ARENAS

    FREDY GIOVANNI GMEZ TOLOZA

    UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

    FACULTAD DE INGENIERAS FISICOMECNICAS

    ESCUELA DE INGENIERA MECNICA

    BUCARAMANGA

    2011

  • SINCRONIZACIN DE CILINDROS HIDRULICOS CON CARGA ASIMTRICA

    OSCAR MAURICIO ARIZA ARENAS

    FREDY GIOVANNI GMEZ TOLOZA

    Trabajo de grado presentado como requisito para optar al ttulo de

    Ingeniero Mecnico

    Director

    ABEL ANTONIO PARADA CORRALES

    Ingeniero Mecnico

    UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER

    FACULTAD DE INGENIERAS FISICOMECNICAS

    ESCUELA DE INGENIERA MECNICA

    BUCARAMANGA

    2011

  • 3

  • 4

  • 5

  • 6

  • 7

    DEDICATORIA

    A Dios, a mis padres, Julio Csar y Mara Cecilia, mis tas, Julieta y

    Alcira por todo lo entregado a m para este y todos los logros que

    han llegado a mi vida y que seguirn llegando gracias

    a las esperanzas que han depositado en m.

    A mis amigos por todo el apoyo que me han dado para culminar

    esta aspiracin que hoy llega a una etapa ms visible.

    A mi compaero de grado por su gran amistad, su perseverancia,

    su empeo y su paciencia en hacer que las cosas salieran bien.

    A las dems personas porque de alguna u otra forma aportaron

    sus conocimientos y experiencias para lograr mis objetivos.

    OSCAR MAURICIO ARIZA ARENAS

  • 8

    DEDICATORIA

    A mis padres, Alonso y Esperanza, por el apoyo moral y econmico

    entregado a m para este proyecto y los dems logros

    que han llegado a mi vida y que llegarn gracias

    a toda su colaboracin y cario.

    A Dios por darme la fuerza y la capacidad para realizar este

    proyecto porque sin l no hubiese podido culminarlo.

    A mis amigos y compaeros de carrera por todo el apoyo que me

    han dado para culminar esta aspiracin que hoy llega a una etapa

    muy importante.

    A mi compaero de grado por su gran amistad, su dedicacin, su

    perseverancia y su empeo en hacer que las cosas salieran de la

    mejor manera.

    A las dems personas porque de alguna u otra forma aportaron sus

    conocimientos y experiencias para lograr mis objetivos.

    FREDY GIOVANNI GMEZ TOLOZA

  • 9

    AGRADECIMIENTOS

    Los autores expresan sus agradecimientos a:

    Ingeniero y Docente ABEL ANTONIO PARADA CORRALES. Por su aporte,

    conocimiento y colaboracin para la realizacin de este trabajo de grado.

    INDUSTRIAS ACUA LTDA. (INAL) por prestar su infraestructura y servicios para

    la fabricacin del manifold. Hacemos referencia al Ing. MIGUEL ANGEL ACUA y

    al Ing. RICARDO CALDERN por su gran colaboracin y respaldo en la ejecucin

    de esta tarea.

    Doctor IVAN AUGUSTO ARENAS ARENAS quin desde los Estados Unidos nos

    facilit la bsqueda y el envo de algunas vlvulas utilizadas en el proyecto.

    Ingeniero y Compaero CARLOS RAL DAZ ORTEGA por su gran ayuda en la

    consecucin de dispositivos en la ciudad de Bogot.

    HENRY CRUZ, GONZALO CALDERN Y FREDY VARGAS (Tcnicos

    trabajadores de la UIS) por su aporte en el montaje del banco para las pruebas.

    La UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER y al grupo de Docentes que

    hacen parte de la Escuela de Ingeniera Mecnica por sus aportes y enseanzas.

    Finalmente, a nuestras FAMILIAS, porque fueron el soporte moral y econmico

    durante todo el proceso de realizacin de este proyecto.

  • 10

    CONTENIDO

    Pg.

    INTRODUCCIN 24

    1. OBJETIVOS 25

    1.1. OBJETIVO GENERAL 25

    1.2. OBJETIVOS ESPECFICOS 25

    2. FUNDAMENTOS BSICOS DE LA HIDRULICA 27

    2.1. PRESIN 27

    2.2. CAUDAL 29

    3. SISTEMAS DE CONTROL HIDRULICO 32

    3.1. CONTROL DE PRESIN 32

    3.2. CONTROL DIRECCIONAL 34

    3.2.1. Vlvula direccional 4 vas 3 posiciones centro punto flotante 34

    3.3. CONTROL DE CAUDAL 35

    3.3.1. Vlvula reguladora de caudal 35

    3.3.2. Principio de funcionamiento 35

    3.3.3. Vlvula de aguja, vlvula de compuerta y vlvula de globo 36

    3.3.4. Vlvula reguladora de caudal compensada 36

    3.3.5. Vlvula divisora de caudal 38

    3.3.6. Vlvulas divisoras de caudal desarrolladas hasta hoy 39

    3.3.6.1. Dispositivo divisor # 1 39

    3.3.6.2. Dispositivo divisor # 2 41

    3.3.6.3. Dispositivo divisor # 3 43

    3.3.6.4. Dispositivo divisor # 4 44

  • 11

    3.3.6.5. Dispositivo divisor # 5 46

    3.3.6.6. Dispositivo divisor # 6 de alta precisin 48

    3.3.6.7. Dispositivo divisor # 7 (De dos etapas y alta precisin) 50

    4. VLVULAS DE CARTUCHO 52

    4.1. VLVULAS DE CARTUCHO PARA ROSCAR COMO CONTROLES DE 5555

    e CAUDAL 52

    4.1.1. Vlvula de aguja 52

    4.1.2. Vlvulas reguladoras de caudal compensadas por presin 53

    4.1.3. Vlvulas compensadas por presin por derivacin de caudal 55

    5. ANLISIS DEL FLUJO DE ACEITE EN UN MANIFOLD 57

    5.1.--RESOLUCIN EN RGIMEN TURBULENTO DEL FLUJO -

    0000ESTACIONARIO, INCOMPRESIBLE Y COMPLETAMENTE___-

    0000DESARROLLADO EN UNA TUBERA DE SECCIN CIRCULAR 58

    5.1.1. Rgimen laminar 58

    5.1.2. Rgimen turbulento 60

    5.1.3. Perfil de velocidades en rgimen turbulento 62

    5.2. CONSIDERACIONES ANALTICAS DE LOS ESFUERZOS MECNICOS BBB

    ----- EN UN MANIFOLD 65

    5.3. RECIPIENTES A PRESIN 66

    5.4. DIFERENCIA ENTRE CILINDROS DE PARED GRUESA Y DELGADA 69

    5.4.1. Deduccin de las ecuaciones que permiten calcular el esfuerzo en el aro 70

    5.4.2. Clculo del esfuerzo longitudinal 72

    6. MANIFOLD 74

    6.1. ESTUDIO DE LA APLICACIN 74

    6.1.1. Montaje de la plataforma 76

    6.1.2. Identificacin de los diferentes pasajes internos del manifold 77

  • 12

    6.2. SELECCIN DEL MATERIAL PARA EL MANIFOLD 82

    6.2.1. Tratamiento trmico 83

    6.2.2. Propiedades mecnicas 84

    6.2.3. Propiedades fsicas 85

    6.2.4. Mecanizado 85

    6.3. SELECCIN DE LOS CARTUCHOS 86

    6.3.1. Operacin de frenado en la plataforma 86

    6.3.2. Seleccin del cartucho para el frenado de la plataforma hidrulica 87

    6.3.3. Operacin de ascenso y descenso sincronizado de la plataforma 89

    6.3.4. Descripcin del fabricante acerca de los cartuchos divisores de flujo 90

    6.3.5. Seleccin del cartucho divisor de caudal doblemente compensado 92

    6.4. PUNTOS CRTICOS DE OPERACIN 94

    6.4.1. Punto crtico entre el puerto piloto y la vlvula de contrabalance 96

    6.4.2. Punto crtico entre el puerto piloto y la cara frontal del manifold 98

    6.4.3. Punto crtico entre el puerto de presin y el puerto de descarga 100

    6.4.4. Punto crtico entre el puerto de presin y el puerto de descarga 102

    6.4.5. Punto crtico entre el puerto de descarga y el puerto de orden de subida 104

    6.5. DETERMINACIN DEL RGIMEN DE FLUJO 106

    6.5.1. Cada de presin total 108

    6.5.2. Desde el suministro de presin al puerto P de la direccional CETOP 5 109

    6.5.3. Desde el puerto A de la direccional al puerto 2 de la contrabalance 111

    6.5.4. Desde el puerto de descarga de cilindros al puerto B de la direccional 113

    6.6. SIMULACIN ESTRUCTURAL DEL MANIFOLD (CAE) 116

    6.6.1. Anlisis preliminar 116

    6.6.2. Anlisis de esfuerzos y factor de seguridad 120

    6.7. ANLISIS DE FLUJO INTERNO (CAE) 125

    7. DISPOSITIVOS Y ELEMENTOS UTILIZADOS 129

    7.1. MONTAJE DEL SISTEMA HIDRAULICO 129

  • 13

    8. PRUEBAS 135

    8.1. ASCENSO DE LA CARGA 135

    8.2. DESCENSO DE LA CARGA 136

    8.3. SUBIENDO (CON POCA CARGA) 137

    8.4. CARACTERIZACIN DEL MANIFOLD PARA CONTRABALANCE 138

    9. COSTO DEL PROYECTO 139

    10. CONCLUSIONES Y OBSERVACIONES 140

    BIBLIOGRAFA 141

    ANEXOS 143

  • 14

    LISTA DE TABLAS

    Pg.

    Tabla 1. Vlvulas de control de presin 33

    Tabla 2. Algunas patentes de vlvulas divisoras 39

    Tabla 3. Composicin qumica del Alumold 82

    Tabla 4. Propiedades de utilizacin del Alumold 82

    Tabla 5. Comparativa con otros materiales 84

    Tabla 6. En funcin del espesor 84

    Tabla 7. Propiedades fsicas del Alumold 85

    Tabla 8. Velocidades y avances para el mecanizado del Alumold 85

    Tabla 9. Detalles del enmallado 118

    Tabla 10. Costos 139

  • 15

    LISTA DE FIGURAS

    Pg.

    Figura 1. Representacin grfica de la Presin como vector 27

    Figura 2. Actuador hidrulico 28

    Figura 3. Manmetro 28

    Figura 4. Manmetro de Bourdon 29

    Figura 5.a. Principio de funcionamiento (bomba de engranajes) 30

    Figura 5.b. Principio de funcionamiento (bomba de pistones) 30

    Figura 6. Extensin y retraccin de un actuador hidrulico 31

    Figura 7. Vlvula direccional tres vas dos posiciones 34

    Figura 8. Vlvula direccional cuatro vas tres posiciones centro punto flotante 34

    Figura 9. Vlvula reguladora de caudal compensada 36

    Figura 10. Funcionamiento de un compensador de presin 37

    Figura 11. Corte esquemtico de un compensador de presin 38

    Figura 12. Vlvula reguladora de caudal compensada tipo cartucho 38

    Figura 13. Esquema oleohidrulico del dispositivo divisor # 1 40

    Figura 14. Esquema del dispositivo # 2 41

    Figura 15. Esquema del dispositivo # 3 43

    Figura 16. Esquema del dispositivo # 4 44

    Figura 17. Desplazamiento del vstago de los cilindros en funcin del tiempo 45

    Figura 18. Esquema del dispositivo # 5 47

    Figura 19. Esquema del dispositivo # 6 49

    Figura 20. Esquema del dispositivo # 7 51

    Figura 21. Vlvula de aguja 53

    Figura 22. Vlvula reguladora de flujo no ajustable compensada por presin 53

    Figura 23. Vlvula reguladora de flujo compensada por presin con dos

    kffffn00-0 cartuchos para roscar 54

  • 16

    Figura 24. Vlvula reguladora de flujo compensada por presin por --------------

    000000000derivacin no ajustable 55

    Figura 25. Vlvula reguladora de flujo compensada por presin por --------------

    000000000derivacin no ajustable con dos cartuchos 56

    Figura 26. Diagrama de Moody 61

    Figura 27. Representacin grfica del flujo laminar y turbulento 63

    Figura 28. Simulacin de flujo turbulento sobre una superficie abierta 64

    Figura 29. Simulacin de flujo laminar sobre conductos cerrados 64

    Figura 30. Esfuerzos mecnicos presentes dentro de un manifold 65

    Figura 31. Esfuerzo en el aro y longitudinal en un recipiente a presin 67

    Figura 32. Esfuerzo en el aro (rectangular) perpendicular al eje del recipiente 68

    Figura 33. Esfuerzo longitudinal a lo largo del eje del recipiente 68

    Figura 34. Vista a lo largo del eje de cilindros de pared gruesa y delgada 69

    Figura 35. Componentes de fuerza y presin en un recipiente sellado 70

    Figura 36. Fuerza T al interior de un recipiente 72

    Figura 37. rea seccin circular de un recipiente 72

    Figura 38. Cilindros desbalanceados 75

    Figura 39. Montaje del banco de pruebas 76

    Figura 40. Circuito hidrulico 77

    Figura 41. Diseo CAD del manifold 78

    Figura 42. Circuito hidrulico y numeracin de conductos 79

    Figura 43. Vista isomtrica del manifold con sus conductos 79

    Figura 44. Puerto de entrada y puertos de salida de la vlvula divisora 80

    Figura 45. Corte a nivel de los puertos de entrada y salida de la divisora 80

    Figura 46. Lnea piloto externo para contrabalance de carga 81

    Figura 47. Corte a nivel del puerto de la contrabalance 81

    Figura 48. Relacin de dureza contra conductividad trmica del Alumold 83

    Figura 49. Lneas hidrulicas de la vlvula contrabalance 87

    Figura 50. Vlvula de frenado tipo cartucho 88

  • 17

    Figura 51. Corte vlvula de frenado 88

    Figura 52. Elevacin mxima que alcanza la plataforma con sus cilindros ------------

    -------------- totalmente extendidos 90

    Figura 53. Circuito de conexin del cartucho divisor de flujo 91

    Figura 54. Vlvula divisora de caudal tipo cartucho 92

    Figura 55. Corte vlvula divisora 92

    Figura 56. Diseo completo del manifold en CAD 93

    Figura 57. Cilindros de pared gruesa 95

    Figura 58. Punto crtico 1 ubicado en puerto piloto de la vlvula de frenado 96

    Figura 59. Punto crtico 2 ubicado en puerto piloto de descarga de cilindros 98

    Figura 60. Punto crtico 3 entre el puerto P y el puerto B 100

    Figura 61. Punto crtico 4 entre el puerto P y la descarga de los cilindros 101

    Figura 62. Punto crtico 5 entre el puerto B y el puerto A 104

    Figura 63. Circuito posicin crtica subiendo la carga 107

    Figura 64. Seccin 1 109

    Figura 65. Seccin 2 111

    Figura 66. Seccin 3 113

    Figura 67. Enmallado del manifold 117

    Figura 68. Sujeciones del manifold 119

    Figura 69. Presin aplicada al manifold 120

    Figura 70. Anlisis de esfuerzos sobre el manifold 121

    Figura 71. Factor de seguridad en el manifold 122

    Figura 72. Desplazamientos en el manifold 123

    Figura 73. Deformaciones unitarias en el manifold 123

    Figura 74. Vista Trimtrica del manifold mostrando el volumen que -----------------

    00000000-recorrer el fluido subiendo carga 124

    Figura 75. Cut distribucin de velocidades del puerto A a contrabalance 125

    Figura 76. Cut distribucin de velocidades descarga de cilindros a puerto B 126

    Figura 77. Cut distribucin de velocidades a nivel de ambos cartuchos 126

  • 18

    Figura 78. Cut distribucin de velocidades descarga de cilindros a Tanque 127

    Figura 79. Lneas de corriente del fluido 128

    Figura 80. Manifold Mecanizado 129

    Figura 81. Vlvula direccional CETOP 5 punto flotante 4 vas 3 posiciones 130

    Figura 82. Racores y Tapones de Bronce 130

    Figura 83. Cartucho de frenado SUN HYDRAULICS 131

    Figura 84. Cartucho divisor SUN HYDRAULICS 131

    Figura 85. Conjunto de vlvulas de cartucho SUN HYDRAULICS 132

    Figura 86. Conjunto Manifold 132

    Figura 87. Montaje del Manifold 133

    Figura 88. Manifold Instalado en el banco 133

    Figura 89. Plataforma para el banco de pruebas 134

    Figura 90. Estructura para soportar la plataforma y la carga 134

    Figura 91. Prueba a 400 PSI 135

    Figura 92. Prueba a 1000 PSI 136

    Figura 93. Prueba a 1800 PSI 137

    Figura 94. Cada de presin 137

  • 19

    LISTA DE ANEXOS

    Pg.

    Anexo A. Vlvula Divisora de Caudal 144

    Anexo B. Vlvula de Contrabalance 146

    Anexo C. Vlvula Direccional centro punto flotante 148

    Anexo D. Plano Cavidad Vlvula Divisora 150

    Anexo E. Plano Cavidad Vlvula Contrabalance 151

    Anexo F. Propiedades de la aleacin de Aluminio tabla SolidWorks 2011 152

    Anexo G. Propiedades del Aceite hidrulico 153

    Anexo H. Plano del manifold para las Cavitys de los cartuchos 155

    Anexo I. Soldadura West Arco E7018 156

  • 20

    GLOSARIO

    MANIFOLD: Mdulo compacto en el cual se insertan vlvulas de cartucho y se

    conectan mediante orificios internos para cumplir con una determinada funcin.

    ACTUADOR: Es un cilindro lineal que convierte potencia fluida en fuerza

    mecnica y movimiento rectilneo.

    BOMBA HIDRULICA: Dispositivo mecnico de un sistema hidrulico que

    convierte la energa mecnica en transmisin fluida.

    TOLERANCIA: Es la variacin total permitida en el tamao de una pieza.

    SOLENOIDE: Es un dispositivo electromagntico que convierte la energa

    elctrica en movimiento mecnico lineal.

    CIRCUITO: Arreglo de partes y componentes interconectados para realizar una

    funcin especfica dentro de un sistema.

    OBTURADOR: Dispositivo que acciona el movimiento de la vlvula de cartucho

    mediante una relacin de reas y una determinada presin.

    SPOOL: Tambin conocido como corredera o carrete de la vlvula. Consiste en

    un cilindro de varias secciones que se desliza en ambos sentidos dentro de la

    vlvula. Pueden tener ranuras y orificios mecanizados dependiendo de la funcin

    para la que se emplee.

  • 21

    MANMETRO: El manmetro es un instrumento utilizado para la medicin de la

    presin en los fluidos, generalmente determinando la diferencia de la presin entre

    el fluido y la presin local.

    TARAJE: Es la medida en la cual es graduado el resorte de una vlvula con el fin

    de proporcionar la presin necesaria para la operacin requerida.

    VENTEO: Consiste en poner a descarga el caudal de una lnea o sistema a travs

    de una vlvula de seguridad, uniendo a tanque el orificio de descarga y

    manteniendo la presin de venteo en la lnea (venting).

    SUMINISTRO PILOTO: La vlvula est diseada para recibir seales piloto

    procedentes del suministro interno de presin o de un suministro externo,

    conectado en la conexin piloto externo.

    VLVULA PUNTO FLOTANTE: Permite que el spool quede flotando en el caso

    de que la vlvula tenga su corredera en posicin central, de manera que ya sea a

    mano, si el cilindro es pequeo, o si la friccin de sus empaquetaduras y

    guarniciones lo permitieran; o bien moviendo los rganos de la mquina que l

    accione, el spool, pueda moverse. Tal cosa es posible, pues la corredera en

    posicin central, ambas caras del spool quedan totalmente descargadas al tanque,

    mientras que la entrada de presin ha sido bloqueada.

  • 22

    RESUMEN

    TTULO:

    SINCRONIZACIN DE CILINDROS HIDRULICOS.*

    AUTORES:

    Oscar Mauricio Ariza Arenas

    Fredy Giovanni Gmez Toloza**

    PALABRAS CLAVES:

    Manifold, Vlvulas de Cartucho, Divisor de flujo, Vlvula Contrabalance, Sincronizacin hidrulica.

    DESCRIPCIN:

    El objetivo de este proyecto de grado es el diseo y construccin del manifold para el montaje de una vlvula de cartucho divisora de flujo doblemente compensada, vlvula de cartucho contrabalance y vlvula direccional punto flotante cetop 5. Este sistema se adaptar en un banco del laboratorio de Potencia Fluida de la Escuela de Ingeniera Mecnica, dotando a ste de un elemento para pruebas de divisin y regulacin de flujo con el fin de sincronizar un elevador de carga y proporcionndole un sistema de estudio tecnolgico. La principal razn por la que se realiz este proyecto fue con el fin de optimizar los controles del laboratorio, especficamente relacionado con la fabricacin de un manifold para el control de elevacin de carga por medio de una plataforma sin importar la ubicacin de su centro de gravedad. Se realiz un diseo propio para reduccin de costos dando ejemplo de apropiacin de tecnologa. Durante el proceso de diseo se opt por la adquisicin de vlvulas de cartucho para roscar, debido al bajo costo comparado con la construccin y mecanizacin de la vlvula con acabados superficiales de alta calidad y tolerancias exigentes. Caractersticas que se pueden obtener slo con tecnologa de punta. Para terminar, la construccin del manifold se parti del diseo a travs del modelado con la ayuda de herramientas de simulacin en software CAD y CAE.

    _________________________

    * Proyecto de grado

    ** Facultad de Ingenieras Fisicomecnicas. Escuela de Ingeniera Mecnica. Ing. Abel Antonio

    Parada Corrales.

  • 23

    ABSTRACT

    TITLE:

    SYNCHRONIZATION OF HYDRAULIC CYLINDERS.*

    AUTHORS:

    Oscar Mauricio Ariza Arenas

    Fredy Giovanni Gmez Toloza**

    KEYWORDS:

    Manifold, Cartridge Valves, Flow Divider, Counterbalance Valve, Hydraulic Synchronization.

    DESCRIPTION:

    The objective of this graduation project is to design and build a manifold for mounting a cartridge valve doubly compensated flow divider, cartridge valve counterbalance and directional valve floating point cetop 5. This system will be adapted in Fluid Power laboratory bench, School of Mechanical Engineering, providing an element of split testing and flow regulation in order to synchronize a forklift and providing a technological study. The main reason that made this project be held was to optimizing laboratory controls, specifically related to the manufacture of a manifold for controlling load lifting using a platform no matter of the location of its center of gravity. We conducted a self-designed to reduce costs by setting an example of technology appropriation. During the design process we opted for the acquisition of screw-in cartridge valves, because of the low cost compared to the construction and machining of the valve with high quality surface finish and demanding tolerances. Features that can be secure only with advanced technology. To finish, for the construction of the manifold was initiated by design of modeling with the help of

    simulation tools in CAD and CAE software. 7

    _________________________

    * Degree Project.

    ** Physical-Mechanical Engineering Faculty, Mechanical Engineering School, Eng. Abel Antonio

    Parada Corrales.

  • 24

    INTRODUCCIN

    La potencia hidrulica representa para la industria un campo muy importante

    debido a la aplicacin en tareas que requieren de altos niveles de fuerza

    conjuntamente con una alta precisin y control en el proceso. Una prctica comn

    que se desarrolla en la industria es la elevacin de carga excntrica de manera

    sincronizada junto con el control necesario de la misma.

    En este documento se registra el diseo de un dispositivo de control de potencia

    hidrulico bsico para la velocidad de ascenso, la velocidad de descenso, el

    sostenimiento de la carga en cualquier momento, el frenado de la carga de forma

    amortiguada y la elevacin con carga descentrada para una plataforma.

    Para las caractersticas de control anteriormente mencionadas son utilizadas las

    diferentes vlvulas con tecnologa de cartuchos embebidos en un bloque de

    Duraluminio diseado para maximizar la eficiencia del proceso.

    Este bloque es comnmente llamado Manifold. El cual esencialmente posee

    conductos internos que trazan los diferentes caminos del aceite para

    intercomunicarlo con las diferentes vlvulas.

    Para el diseo de este manifold se requiere tener en cuenta conceptos de

    mecnica de materiales y mecnica de fluidos, tales como recipientes a presin,

    abrasin, prdidas por friccin en el transporte de fluidos en conductos cerrados,

    prdidas de presin por cambios de rea y restricciones, igualmente clculos de

    transferencia de calor para mantener el aceite a una temperatura ptima de

    trabajo, adems de tcnicas especiales en los procesos de manufactura

    requeridos debido a la alta precisin en las tolerancias que exige la adaptacin de

    este tipo de tecnologa de vlvulas de cartucho.

    El manifold est adaptado a una plataforma compuesta por una viga de perfil en T,

    dos actuadores hidrulicos, y un conjunto de bomba motor para suministrar

    potencia al aceite.

  • 25

    1. OBJETIVOS

    1.1 Objetivo General

    Contribuir con la misin de la universidad Industrial de Santander en el

    desarrollo de la formacin de los estudiantes de ingeniera en la lnea de

    diseo y construccin y el estimulo a la inventiva e innovacin, por medio de la

    implementacin de un recurso tecnolgico dispuesto como complemento y

    refuerzos de los conocimientos necesarios para su desempeo e idneo

    desenvolvimiento en la industria de la potencia hidrulica.

    1.2 Objetivos Especficos

    Disear y construir un manifold para controlar una plataforma, por lo que se

    requiere una vlvula divisora de caudal, vlvula direccional y vlvula de

    contrabalance, siguiendo las especificaciones, caractersticas y principios de

    operacin que se requiere para cumplir con el ptimo funcionamiento de

    control de potencia que proporcionan este tipo de vlvulas de cartucho, con

    base en los siguientes parmetros:

    Grados de ajuste fino deslizante (H7/H6) usando sistema de agujero nico.

    Buena estabilidad dimensional (bajo peso).

    Seleccionar un tipo de material adecuado para otorgarle al diseo

    caractersticas como:

    Permita la implementacin de un maquinado sencillo, para

    obtener un acabado superficial con una Rugosidad no mayor a

    0,01 mm para disminuir las perdidas por friccin.

  • 26

    Resistencia a la abrasin, corrosin y a los esfuerzos por

    presin en paredes gruesas.

    Adecuadas Propiedades trmicas para mantener la temperatura

    de operacin del aceite por debajo de los 65 oC.

    Adaptar un peso como carga con un valor de 1000 Kg-f para el banco de

    pruebas de tal forma que se logre la compensacin en la vlvula divisora de

    caudal y el contrabalance de la carga. Adems de otros criterios de diseo.

    Emplear los paquetes de software CAD y CAE (SolidWorks, SolidWorks

    Simulation y SolidWorks Flow Simulation) como herramientas que permitan a

    travs de simulaciones con fluido presurizado, el anlisis de esfuerzos y el

    estudio de la variacin de presin a fin de obtener un diseo ptimo del

    manifold.

    Seleccionar una vlvula divisora de caudal doblemente compensada tipo

    Cartridges Flow Divider Divider/Combiner Synchronizing High

    Accuracy Model FSER-XAN Sun Hydraulics. Ver Anexo A.

    Seleccionar una vlvula de contrabalance con antiretorno incorporado tipo

    Cartridges Counterbalance 3-Port Non-vented Standard, 3:1 Pilot

    Ratio Model CBCA-LHN Sun Hydraulics. Ver Anexo B.

    Utilizar Vlvula direccional de 4 vas 3 posiciones, centro punto flotante,

    accionada por solenoide y centrada por resorte. SOLENOID OPERATED

    DIRECTIONAL VALVE Model SWH-G03 SERIES TDZ. Ver Anexo C.

  • 27

    2. FUNDAMENTOS BSICOS DE LA HIDRULICA

    2.1. PRESIN

    En fsica, la presin (smbolo P) es una magnitud fsica vectorial que mide la

    fuerza en direccin perpendicular por unidad de superficie, y sirve para

    caracterizar como se aplica una determinada fuerza resultante sobre una

    superficie. Figura 1.

    En el Sistema Internacional la presin se mide en una unidad derivada que se

    denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un Newton

    actuando uniformemente en un metro cuadrado. En el Sistema Ingls la presin se

    mide en una unidad derivada que se denomina libra por pulgada cuadrada (Pound

    per Square Inch) PSI que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando

    en una pulgada cuadrada.

    Figura 1. Representacin grfica de la Presin como vector.

    Fuente: Autores.

    La magnitud de la presin, del rea y de la fuerza ejercida estn relacionadas

    por:

  • 28

    La presin en un sistema hidrulico como en una plataforma sencilla para elevar

    carga, se presenta debido a la resistencia que se le otorga al aceite a fluir

    libremente por los conductos que conforman el sistema, generndose as en el

    fluido energa necesaria para realizar un trabajo. El valor de la magnitud de la

    presin es el resultado del valor de la carga, y el dispositivo responsable de

    comunicar el aceite a presin con la carga es el Actuador hidrulico. Figura 2.

    Figura 2. Actuador hidrulico.

    Fuente: http://www.cohimar.com/util/neumatica/neumatica_hidraulica22.html

    El instrumento ms utilizado para medir presin es el Manmetro mostrado en la

    figura 3.

    Figura 3. Manmetro

    Fuente: http://cbs.grundfos.com/chile/lexica/AC_Manometer.html

  • 29

    En la industria se emplean casi exclusivamente los manmetros metlicos o

    aneroides, que son barmetros aneroides modificados de tal forma que dentro de

    la caja acta la presin desconocida que se desea medir y afuera acta la presin

    atmosfrica. El ms corriente es el manmetro de Bourdon, consiste en un tubo

    metlico aplastado, hermtico, cerrado por un extremo y enrollado en espiral.

    Figura 4.

    Figura 4. Manmetro de Bourdon.

    Fuente: http://patentados.com/invento/manometro-con-conmutador-indicador.html

    2.2. CAUDAL

    El caudal es la medida de la cantidad de flujo que pasa a travs de un rea por

    unidad de tiempo. Su valor es importante en los sistemas hidrulicos puesto que

    determina la velocidad de accionamiento del Actuador cilndrico. La expresin

    matemtica para el caudal es:

    El dispositivo responsable de suministrar esta energa de movimiento o flujo al

    aceite es la Bomba hidrulica de desplazamiento positivo. Como lo indica su

  • 30

    nombre su principio de funcionamiento radica en crear en la cmara de entrada un

    aumento progresivo de volumen para obtener una cada de presin y

    consecuentemente un desplazamiento de fluido hacia un mecanismo reciprocante

    sellado (en el caso de las bombas de pistones) o un mecanismo de lbulos

    (bombas de engranaje, paletas, gerotor) sellados encargados de reducir el

    volumen en la cmara de salida para propulsar el fluido hacia el exterior de la

    bomba. Figura 5.

    Figura 5.a. Principio de funcionamiento (bomba de engranajes)

    Fuente: http://es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Gear_pump.png

    Figura 5.b. Principio de funcionamiento (bomba de pistones)

    Fuente: http://wwwdi.ujaen.es/~lina/webpeter/fotos3.htm

  • 31

    Como se mencion al principio de este aparte la velocidad de salida del vstago

    del actuador hidrulico es funcin de la velocidad con la que se llena la cmara

    superior (cilindro se retrae), o la cmara inferior (cilindro se extiende). Figura 6.

    Figura 6. Extensin y retraccin de un actuador hidrulico.

    Fuente: http://www.dalman.com.ar/hidraulica/fuerzahidraulica.html

    Teniendo en cuenta que la expresin de la velocidad del vstago est dada por:

    Donde es el rea del el pistn expuesta a la cmara inferior para dar lugar

    a la extensin del vstago. Para la retraccin del vstago la expresin cambia a:

    Donde el rea anular se calcula con

  • 32

    3. SISTEMAS DE CONTROL HIDRULICO

    Los sistemas operados hidrulicamente requieren para su funcionamiento el poder

    controlar la potencia tanto que reciben como la que comunican, es por esto que

    los sistemas hidrulicos se dotan con un conjunto de vlvulas especficas para

    cumplir con esta funcin. En el siguiente captulo se presentan los diferentes

    sistemas de control y las principales vlvulas que los componen.

    3.1. CONTROL DE PRESIN

    La presin mxima de un sistema se pueda controlar mediante una vlvula de

    control de presin normalmente cerrada. El puerto primario de la vlvula se

    conecta a la presin del sistema, y el puerto secundario se conecta a la descarga.

    Cuando la presin del sistema alcanza cierto valor, previamente determinado, el

    conmutador de la vlvula se acta y conecta los conductos primario y secundario;

    de esta forma, el caudal se dirige a la descarga. Este tipo de vlvula de control de

    presin, normalmente cerrada, se conoce como vlvula de alivio.

    Cuando se trabaja con cualquier sistema de transmisin de potencia fluida, el

    desempeo de dicho sistema depende de tres tipos de control sobre la potencia a

    transmitir: control de direccin, control de caudal y control de presin. De esta

    manera se puede ejercer el control sobre la presin, ya sea para determinar el

    valor mximo o mnimo de un parmetro de control, como la fuerza aplicada por

    una prensa o vstago, o mantener dicho parmetro en un valor deseado.

    Las vlvulas de control de presin realizan funciones tales como limitar la presin

    mxima de un sistema o regular la presin reducida en ciertas partes de un

  • 33

    circuito, y otras actividades que implican cambios en la presin de trabajo. Su

    funcionamiento se basa en un equilibrio entre la presin y la fuerza de un muelle.

    De acuerdo a su funcin este tipo de vlvulas se pueden clasificar en cinco grupos

    generales: vlvulas de seguridad o de alivio, vlvulas de secuencia, vlvulas de

    descarga, vlvulas de contrabalance y vlvulas reductoras de presin. Sumado a

    esto, dichas vlvulas pueden ser de mando directo o pilotadas. Ver Tabla 1.

    VVULA

    APLICACIN

    SMBOLO

    Seguridad o

    alivio

    Vlvula Utilizada para evitar sobre presiones o

    limitar la presin mxima en un sistema

    Reductora de

    presin

    Vlvula utilizada para mantener la presin reducida

    en una lnea secundaria del sistema

    Contrabalance

    Vlvula utilizada para evitar el desbocamiento de

    una carga cuando el descenso de sta y el peso de la

    misma se superponen.

    Descarga

    Vlvula de alivio con piloto externo. El piloto

    externo inhabilita por completo la presin necesaria

    para abrir la vlvula en accin directa. El aceite se

    descarga a una presin mnima utilizada para el

    control de la presin y descarga de bombas.

    Secuencia

    Vlvula de alivio con drenaje externo que mantiene

    una presin mnima establecida en la lnea

    primaria, mientras se produce una operacin

    secundaria.

    Tabla 1. Vlvulas de control de presin.

    Fuente: Autores.

  • 34

    3.2. CONTROL DIRECCIONAL

    Las vlvulas direccionales son las encargadas de derivar el flujo en varias

    direcciones por medio de pasajes internos que se conectan y desconectan con un

    carretel accionado por mecanismos elctricos, hidrulicos, neumticos,

    electrohidrulicos, manuales y mecnicos. Esto permite que un cilindro se retraiga

    o se extienda, que la presin de aceite actu en una lnea de control, que la

    presin de la bomba se descargue al tanque, que un motor hidrulico gire e una u

    otra direccin etc., el corte esquemtico de una vlvula direccional de tres vas y

    dos posiciones es mostrada en la figura 7.

    Figura 7. Vlvula direccional dos posiciones tres vas.

    Fuente: Autores.

    3.2.1. Vlvula direccional cuatro vas tres posiciones centro punto flotante

    Es tipo de vlvula direccional con carretel de centro tndem, tiene el pasaje P de

    suministro de potencia, bloqueado y los pasajes A y B conectados con el actuador

    comunicados con el tanque en su posicin central. En la figura 8 se observa el

    smbolo funcional de este tipo de vlvula.

    Figura 8. Vlvula direccional de tres posiciones cuatro vas y centro punto flotante.

    Fuente: Autores.

  • 35

    3.3. CONTROL DE CAUDAL

    3.3.1. Vlvula reguladora de caudal

    La funcin de una vlvula reguladora de caudal en esencia, es controlar el flujo de

    caudal proveniente de la bomba que llega al actuador. Para realizar esta funcin la

    vlvula opone una resistencia adicional al flujo, esta resistencia obliga a la bomba

    de desplazamiento positivo a ejercer una mayor presin sobre el liquido lo que

    provoca que una parte del flujo se desvi y tome otra trayectoria usualmente a

    travs de una vlvula de alivio, aunque puede ser que el flujo se desvi hacia otra

    lnea del circuito.

    3.3.2. Principio de funcionamiento

    La vlvula reguladora de caudal basa su funcionamiento por medio de una

    abertura relativamente pequea que se encuentra en la trayectoria del flujo de

    fluido, afectndose as la cantidad de flujo que pasa a travs de esta por varios

    factores, teniendo como principales:

    El tamao del orificio.

    La cada de presin o presin diferencial.

    La temperatura del fluido.

    3.3.3. Vlvula de aguja, vlvula de compuerta y vlvula de globo

    Estas vlvulas no estn diseadas para regular caudal de manera efectiva, pero

    se les usa con este fin cuando solo se requiere una regulacin burda del caudal,

    en aplicaciones en las que la cada de presin no es muy considerable. El tamao

    del orificio se modifica haciendo girar el vstago de la vlvula.

  • 36

    3.3.4. Vlvula reguladoras de caudal compensadas por presin

    S la presin vara, el flujo que pasa a travs de estas vlvulas variara por estas

    consecuencias. Existe una disposicin de vlvula de control de flujo que

    compensa automticamente las diferencias de presiones para el efecto de

    mantener el flujo constante. Ellas son las vlvulas de control de flujo compensadas

    por presiones, o compensadas hidrostticamente y se fabrican en modelos

    ajustables y no ajustables. El principio de trabajo de estas vlvulas consiste en

    mantener constante la cada de presin a travs del orificio de control, (vlvula de

    aguja) de esta forma el flujo a travs de este orificio ser constante. Estas vlvulas

    crean una cada de presin, es decir, un delta de presin de aproximadamente

    100 psi en la lnea y estas son utilizadas para mover el mecanismo de

    compensacin. El principio del trabajo esta ser explicado a continuacin. La

    vlvula en su interior posee un carretel, un pasaje piloto, un resorte y una vlvula

    de aguja ajustable que hace las veces de orificio graduable (ver figura 9).

    Figura 9. Vlvula reguladora de caudal compensada.

    Fuente: Autores.

    La presin establecida en la entrada de la vlvula de control de flujo de presin

    compensada es PA que es igual al valor de la presin necesaria para abrir la

    vlvula de alivio del sistema para descargar el flujo restante proveniente de la

    bomba. (Ver figura 10). A estas vlvulas que descargan al tanque el caudal

    restante a travs de la vlvula de alivio se les conoce como vlvula de control de

    flujo de presin compensada tipo restriccin. Esta presin es comunicada sobre la

  • 37

    cara del actuador por medio del pasaje piloto de la vlvula, para controladamente

    desplazar el obturador hacia la derecha. Este cierre estrangula el orificio

    provocando una restriccin en el flujo, que provoca un descenso de la presin al

    valor determinado PP.

    Alta presin, inducida por el taraje del sistema PA.

    Presin reducida, la estrangulacin del flujo hace que la presin PA descienda

    a PP Presin inducida por la carga. PC

    Figura 10. Funcionamiento de un compensador de presin.

    Fuente: Autores.

    El valor de la presin PP es condicionado por el equilibrio esttico, esto es, el valor

    de PP debe ser igual a la suma de la presin del resorte actuando en la cara del

    obturador ms el valor de la presin PC inducida por la carga.

    PP = PR + PC (A)

    Con

    Cualquier valor de la presin PC mayor a la suma de los trminos de la derecha de

    la ecuacin (A), har que el equilibrio sobre el obturador se pierda. Este proceso

    hace que el obturador se desplace hacia la derecha y el paso de flujo en la zona

    de estrangulamiento se restrinja aun ms, transformando el exceso de presin en

    calor, reducindose as cada vez ms el valor de la presin hasta que se alcance

    de nuevo el equilibrio esttico.

  • 38

    Como consecuencia de este equilibrio en el obturador, la cada de presin

    inmediatamente antes de la vlvula de aguja e inmediatamente despus de esta

    misma, es igual a la presin de resorte PR que es aproximadamente constante,

    independientemente de los valores PC y PA, verificndose de este modo que la

    cantidad de flujo a travs de la vlvula sea independiente de la cada de presin.

    Figura 11. Corte esquemtico de un compensador de presin.

    Fuente: Manual de Oleohidrulica Industrial Vickers.

    3.3.5. Vlvulas divisoras de caudal

    Como una a aplicacin especifica de las vlvulas reguladoras de caudal

    compensadas para dividir el caudal en la entrada y obtener dos caudales de

    rgimen idnticos a la salida, se tiene la vlvula divisora de caudal compensada

    en una o dos direcciones. (Caudal que pasa y caudal que retorna a travs de

    sta.) En la figura 12 se ilustra un corte esquemtico de una vlvula divisora de

    caudal de tipo cartucho compensada en una sola direccin.

    Figura 12. Vlvula reguladora de caudal compensada tipo cartucho.

    Fuente: Autores.

  • 39

    3.3.6. Vlvulas divisoras de caudal desarrolladas hasta la poca

    Tabla 2. Algunas patentes de vlvulas divisoras

    Fuente: Laboratorio de sistemas oleohidrulicos Universidad Politcnica Catalunya

    3.3.6.1. Dispositivo divisor # 1

    Desde las dcadas pasadas muchos autores han estado investigando y diseando

    dispositivos divisores de caudal con diversos grados de aceptacin. Los primeros

    divisores construidos fueron aplicados exclusivamente en la industria automotriz y

    estaban destinados a:

  • 40

    Controlar manualmente diferentes caudales demandados por dos o ms

    circuitos de trabajo (no necesariamente funcionando de manera simultnea)

    desde una misma fuente de alimentacin.

    Recibir un caudal desde una misma fuente de alimentacin y dividirlo de forma

    regulada hacia dos circuitos de trabajo (funcionando al mismo tiempo) con

    prioridad. Es decir, que la vlvula divisora, de ser necesario, est programada

    para suministrar todo el caudal que recibe desde el puerto de alimentacin y

    priorizarlo hacia el circuito que requiere de mayor caudal en detrimento del

    circuito de menor caudal.

    Dividir un caudal de forma proporcional hacia dos circuitos que trabajan de

    forma simultnea, tal como se muestra en la figura 13.

    Figura 13. Esquema oleohidrulico del dispositivo divisor # 1.

    Fuente: Laboratorio de sistemas oleohidrulicos Universidad Politcnica Catalunya

    Este primer prototipo de vlvula divisora, presenta un elevado error de divisin. El

    error originado durante la divisin del caudal, es atribuido principalmente a:

    Los diferenciales de presin a travs de sus orificios fijos. Estos diferenciales

    de presin se originan por las cargas aplicadas entre los puertos de salida del

    divisor.

    La Influencia de la temperatura de trabajo y por ende en la viscosidad del

    aceite.

  • 41

    3.3.6.2. Dispositivo divisor # 2

    V. A. Nelson (1968) propone una vlvula divisora de caudal automtica que est

    conformada, bsicamente, por dos estranguladores fijos E1, E2 y dos

    estranguladores variables Z1 y Z2 conectados en paralelo, tal como se muestra en

    los esquemas de la figura 14. Los estranguladores variables son ajustados de

    forma automtica como consecuencia del movimiento axial de una corredera C. La

    corredera es pilotada por el diferencial de presin provocado por las cargas

    existentes entre los circuitos de trabajo conectados a los puertos de salidas 2 y 3

    del divisor. Cuando P1 es mayor que P2, el diferencial de presin (P=P1-P2)

    desplaza axialmente la corredera C hacia el lado derecho, en direccin de la

    cmara sometida a menor presin, P2. Este movimiento permite, variar la seccin

    de paso de los orificios Z1 (abre) y Z2 (cierra), compensando en caudal el lado

    cargado con mayor presin y estrangulando, a la vez, el orificio variable con menor

    presin. La dinmica del sistema nos lleva a la condicin asinttica Q1 = Q2.

    Figura 14. Esquema del dispositivo # 2.

    Fuente: Laboratorio de sistemas oleohidrulicos Universidad Politcnica Catalunya

  • 42

    Ventajas:

    El dispositivo aprovecha el desequilibrio provocado por el diferencial de presin

    entre P1 y P2 para entregar un caudal dividido de forma automtica y

    proporcional.

    Sintetiza uno de los primeros esfuerzos desarrollados para reducir los costes

    de los equipos oleohidrulicos, utilizando una misma fuente de alimentacin

    para accionar dos circuitos de trabajo.

    Desventajas:

    Fugas internas.

    El dispositivo funciona solamente como divisor de caudal.

    Influencia de las fuerzas fluidodinmicas internas.

    Bloqueo diferencial (Differential lock). El bloqueo diferencial aparece cuando se

    origina un excesivo aumento del diferencial de presin entre las cmaras

    finales P1 y P2 de la corredera. El dispositivo estrangula completamente el

    conducto de salida hacia el puerto conectado al circuito con menor presin.

    Este fenmeno hidrulico se produce con frecuencia, por ejemplo, cuando uno

    de los cilindros conectados a los puertos de salida del divisor alcanza su

    mxima carrera de trabajo mucho antes que el otro cilindro. Tcnicamente se

    genera con ello un error de final de carrera.

    Aplicaciones:

    Este divisor fue ideado con el objetivo de suministrar caudal, de forma

    simultnea, a mecanismos de elevacin en vehculos pesados y para su

    aplicacin en trenes diferenciales de vehculos accionados por motores

    oleohidrulicos.

  • 43

    3.3.6.3. Dispositivo divisor # 3

    G. T. Presley (1978), introduce una vlvula divisora de caudal compensada (figura

    15), en la cual, el caudal es admitido por el puerto de entrada 1 y sale de forma

    dividida por los puertos de salida paralelos 2 y 3. A diferencia de su antecesor,

    este dispositivo est conectado hidrulicamente en serie, y su funcionamiento es

    similar al dispositivo descrito en el apartado anterior.

    Figura 15. Esquema del dispositivo # 3.

    Fuente: Laboratorio de sistemas oleohidrulicos Universidad Politcnica Catalunya

    Ventajas:

    Introduce una geometra especial en los orificios fijos E1 y E2, y prev futuras

    prestaciones como vlvula integradora de caudal.

    Presenta ventajas significativas al conexionar sus orificios en serie con

    respecto al conexionado en paralelo.

    Desventajas:

    Fugas internas, que requieren de un mecanizado con alto grado de acabado

    para minimizar estas fugas.

    Influencia de las fuerzas fluidodinmicas internas.

    Influencia de la temperatura.

  • 44

    Aplicaciones:

    El dispositivo es utilizado para el accionamiento de los sistemas de

    rodamientos diferenciales de las ruedas traseras de vehculos accionados

    oleohidrulicamente.

    3.3.6.4. Dispositivo divisor # 4

    M. B. Tauger (1972), patent el dispositivo divisor de caudal que se aprecia en la

    figura 16. La vlvula presenta un funcionamiento similar al del dispositivo # 3, es

    decir, orificios conectados en serie. No obstante, Tauger elimina el bloqueo

    diferencial que el divisor de Presley presenta. Para esto, incorpora un

    estrangulador hidrulico X (by-pass), que conecta, permanentemente, los

    conductos que conducen hacia los puertos de salida 2 y 3.

    Figura 16. Esquema del dispositivo # 4.

    Fuente: Laboratorio de sistemas oleohidrulicos Universidad Politcnica Catalunya

    Ventajas:

    El dispositivo divisor incorpora un novedoso by-pass permanente X, el cual

    compensa considerablemente el error de divisin de caudal producido en la

  • 45

    vlvula divisora. Un estrangulador hidrulico, conectado entre los puertos de

    salida del divisor, permite que parte del caudal que entra a la vlvula por el

    circuito de mayor presin, fluya libremente hacia el circuito de menor presin,

    compensando en caudal de forma instantnea el error producido en la divisin.

    Elimina el error de final de carrera. Este error se produce frecuentemente en el

    caso del sincronizado de dos cilindros a1 y a2 (ver grafico de la figura 17). Por

    ejemplo, si el actuador a1 alcanza su final de carrera antes que el actuador a2,

    se produce un aumento excesivo e instantneo en la presin de la cmara P1

    del interior del divisor, esta presin ocasionar un brusco desplazamiento de la

    corredera C hacia el lado derecho de la vlvula, provocando el bloqueo del

    caudal que pasa por el orificio de estrangulacin variable Z2 que, a su vez,

    alimenta al cilindro actuador a2 por medio del puerto de salida 3. Este bloqueo

    produce la cada de la pendiente en la curva de velocidad de a2. Tauger, con la

    incorporacin de su estrangulador hidrulico permanente X, permite que dicho

    caudal bloqueado en Z2, sea compensado con el paso del caudal desde Z1

    (completamente abierto) hacia el puerto 3 por medio del estrangulador X,

    permitiendo que el cilindro a2 complete su recorrido.

    Figura 17. Desplazamiento del vstago de ambos cilindros en funcin del tiempo.

    Fuente: Laboratorio de sistemas oleohidrulicos Universidad Politcnica Catalunya

  • 46

    Desventajas:

    Fugas internas.

    Requiere de un buen acabado superficial.

    Aplicaciones:

    El sistema fue utilizado inicialmente en el sincronizado en velocidad de motores

    oleohidrulicos utilizados en los mandos y accionamientos oleohidrulicos de

    aviones.

    3.3.6.5. Dispositivo divisor # 5

    D. J. Parquet (1975), introduce un sistema antibloqueo en una vlvula divisora de

    caudal. El dispositivo divisor recibe el caudal de entrada por medio del puerto 1 y

    fluye en dos direcciones (tal como se indica con las flechas en el esquema de la

    figura 18) hacia los puertos de salidas 2 y 3, ubicados en el lado opuesto del

    cuerpo del divisor A. Esta vlvula es similar a los dispositivos divisores

    predecesores, los cuales, disponen de dos pares de orificios fijos y variables

    conectados en serie y, adems, incorpora una modificacin que impide el bloqueo

    diferencial. Es evidente que durante ese bloqueo, los elementos de trabajo

    (actuadores o motores rotativos), no recibirn ningn caudal para su

    funcionamiento. Experimentalmente se ha comprobado que, aparte de generar

    errores en la divisin del caudal, este brusco bloqueo diferencial puede llegar a

    causar cavitacin en los elementos actuadores o daos irreversibles en la bomba

    o en los elementos conectores del sistema. En previsin de evitar este fenmeno

    oleohidrulico, Parquet practica adicionalmente un par de orificios variables Z,

  • 47

    que garantizan, en caso de producirse este fenmeno, que una cantidad suficiente

    de caudal continu fluyendo libremente hacia el puerto de salida bloqueado.

    Ventajas:

    El divisor permite eliminar el bloqueo diferencial producido en el interior del

    divisor cuando se produce, por ejemplo, el error de final de carrera.

    Desventajas:

    Fugas internas.

    Influencia de las fuerzas fluidodinmicas en la vlvula.

    Influencia de la temperatura.

    Aplicaciones:

    Equipos pesados de carga, plataformas y trasportadores.

    Figura 18. Esquema del dispositivo # 5.

    Fuente: Laboratorio de sistemas oleohidrulicos Universidad Politcnica Catalunya

  • 48

    3.3.6.6. Dispositivo divisor # 6 de alta precisin

    Lumitomo B.P.S. (1973), presenta un divisor con realimentacin mecnica. Este

    diseo (figura 19), propone un incremento complementario en el rea de la

    corredera que provoca una disminucin en el error de divisin. Este incremento de

    rea resulta de aumentar el rea efectiva mediante la introduccin de una

    segunda corredera de compensacin, la cual detecta las diferencias de presin

    entre P1- P2. Esta presin es transferida a la vlvula principal C mediante una

    barra rgida M de realimentacin que, a su vez, permite amplificar la fuerza

    produciendo con ello una reduccin de la fuerza de flujo. De esta manera, el error

    de divisin producido por efecto directo de las fuerzas hidrodinmicas en la

    corredera principal C es minimizado. Este diseo incorpora un dispositivo que

    permite amplificar la fuerza necesaria para mover la corredera de compensacin.

    A diferencia de los otros diseos, donde la corredera se mueve por la accin de la

    presin diferencial, aqu la presin entra por una segunda corredera y su fuerza es

    realimentada a la primera corredera mediante una barra rgida M.

    Ventajas:

    La introduccin de una segunda etapa o una corredera adicional, permite

    disminuir el error en la divisin de caudal originadas por el diferencial de

    presin debido a las cargas. Al aumentar la fuerza total sobre las correderas,

    los esfuerzos de rozamiento y las reacciones fluidodinmicas quedan

    minimizadas.

    Reduce la influencia de las fugas internas, de forma que reduce la necesidad

    de un mecanizado de alta precisin de sus componentes durante su

    fabricacin.

  • 49

    Figura 19. Esquema del dispositivo # 6.

    Fuente: Laboratorio de sistemas oleohidrulicos Universidad Politcnica Catalunya

    Desventajas:

    Incrementa el coste de fabricacin al utilizar dos correderas y una barra de

    enlace para realizar el control.

    Aplicaciones:

    Por su pequeo error de divisin, queda limitada su utilidad a aplicaciones de

    sincronizado de alto grado de precisin y exactitud, tales como equipos

    militares o de la industria aeronutica.

  • 50

    3.3.6.7. Dispositivo divisor # 7 (Divisor de dos etapas y alta precisin)

    B. Y. Ladenzon (1971), propone un dispositivo divisor de caudal compuesto de dos

    etapas. Este divisor (figura 20) es otro intento de controlar la condicin de

    equilibrio de la corredera principal como consecuencia de las fuerzas de flujo que

    se originan cuando el caudal fluye a travs de los restrictores de seccin variable

    (experimentalmente esto se produce a caudales mayores de 30 L/min). El

    dispositivo est compuesto de una corredera principal C, colocada hidrulicamente

    en serie con una corredera complementaria C que reciben el caudal por el puerto

    de entrada 1 y lo entregan, proporcionalmente dividido, por los puertos de salidas

    2 y 3. En su primera etapa, el divisor funciona con el diferencial de presin de la

    misma forma que los divisores descritos en los anteriores apartados, de forma que

    coloca en serie un orificio estrangulador de seccin fija con otro estrangulador de

    seccin variable. En una segunda etapa, se ubica una corredera C que est

    conectada con los puertos de salidas 2, 3. Ambas etapas estn interconectadas

    por dos conductos internos. Si la presin en los canales externos conectados a los

    puertos de salida es desigual, producir un diferencial de presin entre las

    cmaras P1, P2 que originarn un movimiento axial de ambas correderas en

    direccin de las cmaras de menor presin. Pero la corredera C en su

    movimiento estrangular y abrir, simultneamente, los orificios estranguladores

    de seccin variable Z1, Z2, y stas, a su vez, Z1, Z2 hasta que la presin en las

    cmaras P1, P2 y P1, P2 sea igual.

    Ventajas:

    Reduce la influencia de las fugas internas en su funcionamiento.

    Poca influencia de la temperatura en la divisin.

  • 51

    Figura 20. Esquema del dispositivo # 7.

    Fuente: Laboratorio de sistemas oleohidrulicos Universidad Politcnica Catalunya

    Desventajas:

    Posee un alto coste de fabricacin. Un peso y tamao que limitan su

    aplicacin.

    Aplicaciones:

    Es utilizado en maquinas y sistemas oleohidrulicos, principalmente, con

    propsito de sincronizado de elementos (motores, cilindros de potencia) con

    independencia del valor de las cargas externas aplicadas a dichos elementos.

  • 52

    4. VLVULAS DE CARTUCHO

    Una vlvula de cartucho se enrosca o se inserta dentro de una cavidad

    normalizada en un bloque y se mantiene en su lugar con tornillos o con una tapa

    asegurada con pernos para completar el diseo con vlvulas de cartucho. Las

    vlvulas de cartucho para roscar son una buena eleccin porque pueden ser

    elementos tipo obturador o corredera y por ello, brindan una funcin hidrulica

    ms completa.

    Vlvulas de cartucho para roscar. Las vlvulas de cartucho para roscar ofrecen un

    diseo alternativo ms que una sustitucin de las vlvulas convencionales de

    corredera deslizante. Pueden instalarse en un bloque o utilizarse como conjuntos

    individuales, el exterior de esta vlvula puede llevar roscas que se atornilla.

    4.1. VLVULAS DE CARTUCHO PARA ROSCAR COMO CONTROLOES DE

    CAUDAL

    Adems de las funciones de control de la presin y de la direccin, las vlvulas de

    cartucho para roscar pueden tambin utilizarse para controlar el caudal. Los tipos

    utilizados incluyen vlvulas de aguja, vlvulas reguladoras de caudal, vlvulas en

    derivacin, vlvulas de prioridad y divisores de caudal.

    4.1.1. Vlvula de aguja

    La figura 21 representa una vlvula de control del caudal tipo estrangulamiento

    variable denominada vlvula de aguja que lleva una corredera tipo aguja cnica

    para suministrar un control preciso del caudal o aplicaciones de vlvula de paso.

    No existe compensacin por presin en esta vlvula, el caudal puede ser regulado

    en ambas direcciones.

  • 53

    Figura 21. Vlvula de aguja.

    Fuente: Manual de Oleohidrulica Industrial Vickers.

    4.1.2. Vlvulas reguladoras de caudal compensadas por presin

    La figura 22 muestra una vlvula reguladora de caudal no ajustable, tipo

    estrangulamiento. Esta vlvula suministra un caudal constante aunque vare la

    presin debida a la carga. Como indica la figura, el caudal compensado por

    presin circula nicamente desde el orificio de entrada al de salida.

    El tamao del pasaje en el orificio de salida se modula para mantener constante la

    diferencia de presiones a travs del orificio de control. La prdida de carga en este

    orificio se fija en fbrica y viene determinada por el muelle de la vlvula.

    Figura 22. Vlvula reguladora de caudal, no ajustable, compensada por presin.

    Fuente: Manual de Oleohidrulica Industrial Vickers.

  • 54

    La figura 23 muestra otro tipo de control de caudal del tipo estrangulamiento

    variable compensado por presin. Esta vlvula es ajustable. De nuevo, la

    compensacin por presin funciona desde el orificio de entrada al de salida. Como

    puede verse, esta vlvula incluye dos vlvulas de cartucho para roscar. Uno es un

    orificio sencillo ajustable y el otro un compensador por presin tipo

    estrangulamiento variable. El cartucho compensador por presin mantiene una

    prdida de carga constante (igual al taraje del muelle) a lo largo del cartucho de

    orificio ajustable variando la prdida de carga a travs de la corredera del

    compensador al orificio de salida cuando vara la presin de la carga.

    Figura 23. Vlvula reguladora de caudal compensada por presin con dos

    cartuchos para roscar.

    Fuente: Manual de Oleohidrulica Industrial Vickers.

  • 55

    4.1.3. Vlvulas compensadas por presin por derivacin del caudal

    Estas vlvulas son otro grupo de vlvulas de cartucho utilizadas para regular el

    caudal y pueden ser ajustables o no ajustables. La figura 24 muestra este ltimo.

    Figura 24. Vlvula reguladora de caudal compensada por presin por derivacin,

    no ajustable.

    Fuente: Manual de Oleohidrulica Industrial Vickers.

    El caudal desde el orificio de entrada al orificio del caudal regulado, esta

    compensado por presin. Cualquier caudal superior al fijado por la vlvula es

    derivado por un orificio en derivacin. Si esta lnea en derivacin va al tanque, la

    vlvula se denomina vlvula de control compensada por presin por derivacin de

    caudal.

    Si esta lnea enva el caudal a una segunda funcin de carga, la vlvula se llama

    vlvula de prioridad, porque la primera operacin es prioritaria respecto a la

    segunda.

  • 56

    En la figura 25 puede verse otro tipo de estas vlvulas, esta vlvula contiene

    tambin dos cartuchos: uno es una corredera compensada por derivacin de

    caudal, mientras que el segundo es un orificio ajustable.

    Figura 25. Vlvula reguladora de caudal no ajustable, compensada por presin por

    derivacin con dos cartuchos para roscar.

    Fuente: Manual de Oleohidrulica Industrial Vickers.

  • 57

    5. ANLISIS DEL FLUJO DE ACEITE EN UN MANIFOLD

    Los flujos completamente limitados por superficies slidas reciben el nombre de

    flujos internos, tal como se presenta en todos los trayectos que sigue el aceite

    dentro del manifold. Como ya se sabe los flujos internos pueden ser tanto

    laminares como turbulentos. En algunos casos los modelos para flujo laminar

    pueden ser resueltos de manera analtica, en cuanto a los modelos de flujo

    turbulento no es posible obtener una solucin analtica, sin embargo, como se ver

    ms adelante los modelos de flujo interno que ofrece la mecnica de fluidos no

    sern utilizados con el fin de obtener resultados concluyentes sino para analizar

    los efectos que provocan aquellos parmetros mostrados en estas ecuaciones de

    tal forma que se optimice el diseo hidrulico del manifold.

  • 58

    5.1. RESOLUCIN EN RGIMEN TURBULENTO DEL FLUJO ESTACIONARIO,

    INCOMPRESIBLE Y COMPLETAMENTE DESARROLLADO EN UNA TUBERA DE

    SECCIN CIRCULAR

    5.1.1. Rgimen laminar

    En rgimen laminar para este flujo se obtiene una relacin entre el caudal Q que

    circula por los conductos internos del Manifold y la diferencia de altura

    piezomtrica entre sus extremos mediante la integracin de las ecuaciones

    diferenciales que permiten la obtencin del perfil de velocidades para

    posteriormente hallar el caudal. Siendo Z la direccin del flujo.

    La ecuacin de la cantidad de movimiento queda como:

    rz1 d rdHdz r dr

    (1)

    Que puede integrarse:

    rz 2

    r dH C

    dz r

    (2)

    La constante C debe ser cero para que la tensin cortante en r=0 tome un valor

    finito.

    rz( )

    2

    r dHr

    dz

    (3)

    En el caso de flujo laminar se cumple que:

    rz( ) z

    dVr

    dr

    (4)

    Sustituyendo en:

    2z

    dV r dH

    dr dz

    (5)

    Integrando esta ecuacin diferencial:

  • 59

    2

    1( )

    4zr dH

    V r Cdz

    (6)

    La constante de integracin se obtiene por medio de la condicin de contorno:

    2

    1( ) 0

    4zR dH

    V r R Cdz

    (7)

    Donde el perfil de velocidades queda como:

    22

    ( ) 14

    z

    R dH rV r

    dz R

    (8)

    El perfil de velocidades en rgimen laminar es un paraboloide. El valor mximo de

    la velocidad se produce en r = 0 y vale:

    2

    0(0)

    4zR dH

    V Udz

    (9)

    Ahora para obtener la relacin entre el caudal y la diferencia de alturas

    piezomtricas entre los extremos de una tubera se integra el perfil de velocidades:

    14

    2

    0

    1 2

    R dHq d

    dz

    (10)

    4

    8

    R dHq

    dz

    (11)

    Integrando esta ecuacin diferencial se obtiene:

    1 2 4

    8 LH H q

    R

    (12)

    O en funcin de la velocidad media:

    1 2 2

    8 LH H V

    g R

    (13)

    Esta relacin indica que en rgimen laminar la cada de altura piezomtrica en una

    tubera es proporcional a la velocidad.

    5.1.2. Rgimen turbulento

  • 60

    En rgimen turbulento no es posible, al menos de forma directa, hallar el perfil de

    velocidades mediante la integracin de las ecuaciones diferenciales. Para hallar

    entonces la relacin entre la cada de altura piezomtrica y el caudal se partir la

    ecuacin (10) que nos da la distribucin de tensiones cortantes en la tubera. De

    aqu se obtiene una relacin entre la diferencia de alturas piezomtricas y el

    esfuerzo cortante en la pared :

    1 2

    4w

    LH H

    D

    (14)

    La experiencia demuestra que el esfuerzo cortante en la pared de un conducto es

    funcin de:

    , , , ,w F V D (15)

    Mediante el anlisis dimensional se obtiene que:

    28

    Re,w FDV

    (16)

    Al parmetro adimensional que contiene al esfuerzo cortante en la pared se le

    denomina factor de friccin:

    2

    8wfV

    (17)

    Quedando la ecuacin (14) como:

    2

    1 2 2

    L VH H f

    D g

    (18)

    2

    1 2 5 2

    8 f LH H q

    D g

    (19)

    2

    1 2

    64

    Re 2

    L VH H

    D g

    (20)

  • 61

    Esta ecuacin conocida como ecuacin de DARCY-WEISBACH es vlida tanto

    para rgimen laminar como turbulento. En rgimen laminar el valor de f se obtiene

    de forma analtica a partir del perfil de velocidades. La ecuacin (13) se puede

    volver a escribir:

    1 2 4

    8 LH H q

    R

    (21)

    En rgimen laminar en tuberas (Re

  • 62

    5.1.3. Perfil de velocidades en rgimen turbulento

    Como se ha comprobado en la obtencin de la ecuacin (20) no se han integrado

    las ecuaciones diferenciales del flujo para obtener el perfil de velocidades. En el

    caso de rgimen turbulento la obtencin del perfil de velocidades es algo

    complicada. En ciertas ocasiones el perfil se aproxima por una ley de potencia de

    la forma:

    1

    0

    ( )1

    nzV r r

    U R

    (23)

    Donde n vale:

    8n k

    f

    (24)

    Siendo una constante de valor de 0.41

    Integrando la ecuacin (23) se obtiene:

    2

    0

    2

    ( 1)(2 1)

    V n

    U n n

    (25)

    1

    2

    ( )( 1)(2 1)1

    2

    nzV r n n r

    U Rn

    (26)

  • 63

    Figura 27. Representacin grfica del flujo laminar y turbulento.

    Fuente: http://www.tpub.com/content/doe/h1012v3/css/h1012v3_40.htm

    No todas las partculas del fluido viajan a la misma velocidad dentro de un tubo. La

    forma de la curva de velocidad (el perfil de velocidad a travs de cualquier seccin

    de la tubera) depende de si el flujo es laminar o turbulento. Si el flujo en una

    tubera es laminar, la distribucin de velocidades en una seccin transversal ser

    de forma parablica con la velocidad mxima en el centro siendo

    aproximadamente el doble de la velocidad media en la tubera. En un flujo

    turbulento, una distribucin de velocidades bastante plana existe a travs de la

    seccin de la tubera, dando como resultado un determinado valor del flujo en todo

    el lquido. La figura 27 ayuda a ilustrar las ideas anteriores. La velocidad del fluido

    en contacto con la pared del tubo es prcticamente cero y aumenta cuanto ms

    lejos se encuentre de la pared.

  • 64

    Los programas CAE como el ANSYS, el CFX, el Flow Simulation de SolidWorks,

    entre otros, permiten realizar la simulacin en tiempo real del flujo de fluidos sobre

    cualquier superficie, mostrando en una escala de colores los valores de la

    velocidad a la que viaja el fluido a lo largo del conducto como se puede apreciar

    en las figuras 28 y 29.

    Figura 28. Simulacin de flujo turbulento sobre una superficie abierta.

    Fuente: http://www.ansys.com/Products/Simulation+Technology/Fluid+Dynamics/

    Figura 29. Simulacin de flujo laminar sobre conductos cerrados.

    Fuente: http://www.uia-incorporated.com/Computer%20Modeling.html

  • 65

    5.2. CONSIDERACIONES ANALTICAS DE LOS ESFUERZOS MECNICOS EN

    UN MANIFOLD

    Por ser el manifold un sistema de conductos internos embebidos en bloque

    metlico por los cuales se comunica aceite a muy altas presiones con cada una de

    las vlvulas de tipo cartucho para roscar (Screw-in cartridge valve) es imperiosa la

    necesidad de garantizar la resistencia del bloque a los esfuerzos mecnicos

    presentes, Figura 30 con base en los conceptos de recipientes a presin, los

    cuales sern presentados de manera sucinta en el siguiente aparte.

    Figura 30. Esfuerzos mecnicos presentes dentro de un manifold.

    Fuente: http://www.deskeng.com/articles/aaajxz.htm

  • 66

    5.3. RECIPIENTES A PRESIN

    Son recipientes que contienen a varios fluidos a presin (gases o lquidos) Los

    domos de las calderas, las tuberas, los separadores de fluidos en la industria

    petrolera, los tanques llamados "cigarros" y los tanque esfricos llamados

    "esferas" en la industria petrolera, son ejemplos de recipientes a presin.

    Los recipientes a presin no tienen "vlvula de presin y vaco", como es el caso

    de los tanques de almacenamiento o atmosfricos que si la tienen; en su lugar

    tienen una vlvula de seguridad que releva a la atmsfera a una presin de fluido

    dentro del recipiente superior a la atmosfrica, dicha presin depende de la

    presin a la que trabaje el tanque de acuerdo a normas o a la experiencia, de

    acuerdo al estado que guardan las paredes del recipiente.

    Puesto que la presin dentro del recipiente tiende a "inflarlo", aparecen esfuerzos

    de tensin en las paredes del mismo.

    Para el clculo y diseo de los recipientes a presin, y seleccin de los materiales

    que se utilizarn, tendremos que calcular dichos esfuerzos de tensin, que reciben

    el nombre de: "esfuerzo en el aro", que denotaremos por ST1 y "esfuerzo

    longitudinal", que denotaremos por ST2; as como el esfuerzo cortante mximo en

    las paredes del recipiente, que denominaremos . Dichos esfuerzos estn

    mostrados en la figura 31, actuando sobre un prisma elemental localizado en la

    pared del recipiente, los cuales como dijimos estn causados por la presin "P"

    dentro del recipiente, la cual tiende a inflarlo.

  • 67

    En nuestro estudio encontraremos que el esfuerzo ST1 o esfuerzo en el aro, tiene

    una magnitud del doble del esfuerzo ST2 o esfuerzo longitudinal.

    Figura 31. Esfuerzo en el aro y esfuerzo longitudinal en un recipiente a presin.

    Fuente: Autores.

    Si girramos el prisma un cierto ngulo, veramos que los esfuerzos ST1 y ST2,

    disminuyen de su mximo valor mostrado y apareciendo esfuerzos cortantes en

    las caras del mismo, hasta tener un valor mximo:

    Cuando el giro del prisma sea de 45, podremos decir que la relacin de

    magnitudes de dichos esfuerzos es:

    El clculo de estos esfuerzos nos permitir ir a las tablas de los fabricantes de

    aceros, para seleccionar el ms adecuado

  • 68

    La representacin de "esfuerzo en el aro" y esfuerzo longitudinal se pueden

    observar en las figuras 32 y 33.

    Figura 32. Esfuerzo en el aro (rectangular) perpendicular al eje del recipiente.

    Fuente: Autores.

    Figura 33. Esfuerzo longitudinal o a lo largo del eje del recipiente.

    Fuente: Autores.

  • 69

    5.4. DIFERENCIA ENTRE CILINDROS DE PARED GRUESA Y DELGADA

    Un cilindro es de pared delgada cuando hay una gran diferencia entre el espesor

    de la pared y el dimetro del mismo, en un cilindro de pared gruesa no sucede lo

    mismo.

    Por otro lado, la distribucin de esfuerzo en el espesor de las paredes del cilindro

    de pared delgada es uniforme, mientras que en el cilindro de pared gruesa no

    sucede as. Los cilindros de pared gruesa son los que constituyen los barriles o

    caones de las armas de fuego. En nuestro caso, veremos el diseo de un cilindro

    de pared delgada.

    Figura 34. Vista a lo largo del eje de cilindros de pared gruesa y delgada.

    Fuente: Autores.

  • 70

    5.4.1. Deduccin de ecuaciones que permiten calcular el esfuerzo en el aro

    Figura 35. Componentes de Fuerza y Presin en un recipiente sellado.

    Fuente: Autores.

    Cortemos una seccin de longitud L. De la figura 35 se observa que las

    componentes dFCos () se anulan. Adems se observa que las componentes

    dFSen () se suman, la suma de estas componentes verticales ser:

    En sta ecuacin:

    Fuerza resultante debida a la presin del fluido dentro del recipiente.

    Presin del fluido dentro del recipiente en Lb/in2.

    Dimetro del cilindro en pulgadas.

    Longitud del recipiente.

  • 71

    En esta ecuacin se observa que es el rea proyectada en el plano horizontal

    de la media caa. Por lo tanto la fuerza resultante es igual a la presin por el rea

    proyectada.

    Ahora para encontrar (fuerza en el aro) tenemos:

    Pero:

    Por lo tanto:

    Para encontrar (esfuerzo de tensin en el aro)

    Donde rea = rea espesor de la pared en el aro =

    Y como , entonces:

    Por lo tanto:

  • 72

    5.4.2. Clculo del esfuerzo longitudinal

    Figura 36. Fuerza T al interior de un recipiente.

    Fuente: Autores.

    La fuerza de traccin T o fuerza longitudinal ser

    [1]

    Donde

    Fuerza de traccin longitudinal

    rea proyectada de la semiesfera en un plano vertical

    Presin del fluido dentro del recipiente

    Tambin:

    [2]

    Donde

    rea del espesor en la pared del anillo

    Figura 37. rea seccin circular de un recipiente.

    Fuente: Autores.

  • 73

    Igualando [1] con [2] tenemos:

    Este es el esfuerzo longitudinal

    Observamos que

    Por lo que para seleccionar el MATERIAL del recipiente necesitaremos el mayor

    esfuerzo, o sea ST1.

  • 74

    6. MANIFOLD

    Como ya se mencion anteriormente el manifold cumple con la indispensable

    tarea de controlar la potencia y direccin del flujo de aceite que ser suministrado

    a los actuadores hidrulicos que se encargan de elevar la plataforma, as pues

    podemos definir al manifold como un sistema de conductos internos embebidos en

    bloque metlico por los cuales se comunica el aceite con cada una de las vlvulas

    de tipo cartucho para roscar (Screw-in cartridge valve) que permiten controlar el

    funcionamiento de un circuito hidrulica para una funcin especfica. En esencia

    resume el conjunto de mangueras presentes en los circuitos hidrulicos clsicos,

    dndole a diseo un aspecto ms compacto, prctico y eficiente.

    6.1. ESTUDIO DE LA APLICACIN

    La tarea principal del manifold es proveer al sistema de elevacin de carga de tipo

    plataforma con las siguientes caractersticas de funcionamiento.

    Extender y retraer los actuadores hidrulicos obtenindose as el ascenso y

    descenso de la plataforma.

    Ascenso y descenso de la plataforma de manera sincronizada

    independiente de la ubicacin del centro de gravedad de la carga.

    Variacin de la velocidad de ascenso y de descenso bajo normas de

    seguridad en plataformas de elevacin de carga (45 cm/s en promedio)

    Sostenimiento de la carga en cualquier punto durante el recorrido en el

    ascenso.

    Frenado y sostenimiento de la carga durante el descenso.

  • 75

    La segunda caracterstica de la lista anterior es la ms importante ya que

    soluciona un problema que surge cuando se realizan plataformas para elevar

    carga con dos actuadores cilndricos. Como es ya conocido cundo la carga se

    ubica en una posicin cualquiera en el piso de la plataforma el valor de la carga

    que soporta cada actuador no es el mismo, teniendo como consecuencia que la

    presin presente en cada actuador sea tambin diferente por lo tanto es

    indispensable para elevar la carga con los dos actuadores extendindose o

    retrayndose simultneamente proveer el sistema con un control de flujo que

    suministre el mismo caudal a los actuadores, indiferente a la intensidad o posicin

    de la carga.

    Figura 38. Cilindros desbalanceados.

    Fuente: http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica16.htm

    Puesto que la lnea 1 tiene una presin inferior a la lnea 2 debido a la ubicacin

    descentrada de la carga, el cilindro de la izquierda tiende a extenderse y el de la

    derecha a recogerse

  • 76

    Este tipo de funcin lo realiza una vlvula de control de flujo comnmente

    conocida como divisora de caudal compensado, el cual es tema de estudio y

    prctica del curso de Potencia Fluida.

    Para poder cumplir con estos requerimientos de diseo, necesitamos tener en

    cuenta dispositivos tales como: Los controles hidrulicos que realizan los

    requerimientos anteriormente enlistados, conformados por los cartuchos de

    frenado y divisor de caudal junto con la vlvula direccional, igualmente la seleccin

    de los racores que cumplen la funcin de conectar el bloque a los cartuchos y las

    mangueras. Los manmetros como medidores de presin juegan un rol importante

    en cuanto a la inspeccin del ptimo funcionamiento de la plataforma.

    6.1.1 Montaje de la plataforma

    En el montaje de la plataforma hidrulica se tienen cuatro grupos, la estructura

    esttica encargada de soportar a los actuadores hidrulicos junto con la carga, el

    manifold, la carga y los accesorios conformados por mangueras, manmetros y

    actuadores hidrulicos. Ver figura 39.

    Figura 39. Montaje del banco de pruebas.

    Fuente: Autores.

  • 77

    El circuito hidrulico que describe a la plataforma hidrulica se representa en el

    siguiente esquema.

    Figura 40. Circuito hidrulico.

    Fuente: Autores.

    La generacin de potencia de la plataforma se obtendr del banco de pruebas del

    malacate.

    6.1.2. Identificacin de los diferentes pasajes internos del manifold

    El estudio hecho en la seccin 6.1 indica que el manifold debe alojar dos

    cartuchos roscables y una vlvula direccional. La distribucin de los cartuchos en

    el manifold y de cada una de las lneas que interconectan los puertos de las

    vlvulas, se realiz de acuerdo a las recomendaciones hechas por SUN

  • 78

    Hydraulics Corp., y PARKER. En los Anexos D y E se muestran los detalles de las

    cavidades estndar para las vlvulas seleccionadas. Igualmente se consider la

    llegada al manifold de 5 mangueras, a las cuales se les debe garantizar una

    ubicacin cmoda para evitar el plegamiento y por ende un deterioro prematuro de

    las mismas. Las consideraciones aplicadas al momento de disear las conexiones

    entre las vlvulas fueron:

    De acceso fcil y rpido a los cartuchos.

    Evitar cambios bruscos en la direccin del fluido.

    Buena distribucin en el montaje (simplicidad).

    El diseo en CAD que esboza cada uno de los conductos internos junto con la

    vlvulas que se van a interconectar se muestra en la figura 41 junto con el circuito

    hidrulico que lo representa. Figura 42.

    Figura 41. Diseo CAD del Manifold.

    Fuente: Autores.

  • 79

    Figura 42. Circuito hidrulico y numeracin de conductos.

    Fuente: Autores.

    Figura 43. Vista isomtrica del Manifold con sus conductos.

    Fuente: Autores.

  • 80

    Figura 44. Puerto de entrada y puertos de salida de la vlvula divisora.

    Fuente: Autores.

    Figura 45. Corte a nivel de los puertos de entrada y salida de la vlvula divisora.

    Fuente: Autores.

  • 81

    Figura 46. Lnea piloto externo para contrabalance de carga.

    Fuente: Autores.

    Figura 47. Corte a nivel del puerto de contrabalance.

    Fuente: Autores.

  • 82

    6.2. SELECCIN DEL MATERIAL PARA EL MANIFOLD

    Las caractersticas que el manifold hereda del material son sumamente

    importantes, en vista de que influye en parmetros de diseo como resistencia a la

    presin, peso, conductividad trmica, nivel de mecanizado, nivel de rugosidad,

    etc., como un primer criterio de decisin se tom basado la enorme experiencia de

    los materiales utilizados para el desarrollo de los manifold de la Sun Hydraulics

    Corp. El material existente en el mercado nacional es una aleacin de aluminio

    llamado Alumold 500 T6 51.

    Las propiedades ms importantes que ofrece se describen en el siguiente aparte.

    El Alumold 500 es un aluminio de alta resistencia aleado al zinc, considerado

    como una aleacin de ltima generacin despus del aluminio tradicional 7075 y

    aluminios de segunda generacin como el 7010 y 7050. Gracias a su bajo peso,

    excelente maquinabilidad y resistencia mecnica lo hacen un material idneo para

    esta aplicacin.

    COMPOSICIN QUMICA DEL ALUMOLD 500

    Anlisis tpico en % Zn Mg Cu Al

    6.0 2.4 1.6 90

    PROPIEDADES DE UTILIZACIN

    Soldadura Ajuste ( MIG O TIG) Evitar

    Recarga (TIG) Bueno

    Mecanizado Fragmentacin de viruta Bueno

    Brillo superficial Muy bueno

    Anodizacin De proteccin Aceptable

    De dureza Muy bueno

    Tabla 3 y 4. Composicin qumica y propiedades de utilizacin del Alumold.

    Fuente: Compaa General de Aceros.

  • 83

    6.2.1. Tratamiento trmico

    El Alumold 500 es una aleacin tratada en fbrica tratada con procesos de

    homogenizacin, recocido, alivio de tensiones y endurecimiento por precipitacin

    (envejecido) con un temple T6 - 51, el envejecimiento artificial mejora las

    propiedades mecnicas y la estabilidad dimensional. Para incrementar la

    resistencia al desgaste, se pueden utilizar niquelados anodizados duros.

    Figura 48. Relacin de dureza contra conductividad trmica.

    Fuente: Compaa General de Aceros S.A.

  • 84

    6.2.2. Propiedades mecnicas

    Espesor 40 mm 100mm

    Propiedad

    Resistencia

    a la traccin

    (Mpa)

    Lmite de

    fluencia

    (Mpa)

    Resistencia

    a la traccin

    (Mpa)

    Lmite de

    fluencia

    Alumold 500 520 a 620 510 a 570 550 a 610 500 a 560

    Acero SAE 1045 normalizado 630 345 620 325

    Acero SAE 1045 tratado 1400 1100 1320 1050

    Acero P 20 Bonificado 1080 945 1080 945

    Tabla 5. Comparativa con otros materiales.

    Fuente: Compaa General de Aceros S.A.

    ESPESOR EN

    mm

    Valores mnimos Valores tpicos

    Resistenci

    a a la

    traccin

    (Mpa)

    Lmite de

    fluencia

    (Mpa)

    A

    %

    Resistencia

    a la traccin

    (Mpa)

    Lmite de

    fluencia

    (Mpa)

    A

    %

    HB

    S

    25 A 76.2 560 510 5 590 540 10 190

    76.2 A 127 550 500 4 580 530 6 185

    127 A 152.4 540 490 2.5 570 520 40 185

    152.4 A

    203.2 525 580 1 555 510 2 180

    203.2 A 254 505 460 1 535 490 1.5 180

    254 A 305 470 435 0.5 510 470 1.5 175

    Tabla 6. En funcin del espesor.

    Fuente: Compaa General de Aceros.

  • 85

    6.2.3. Propiedades fsicas

    PROPIEDADES FISICAS

    Densidad Kg/dm3 2.83

    Dilatacin trmica (entre 0 - 100O C) 23.7 10- 6 / OC

    Conductancia (0 100O C) 153 (W/m OC)

    Calor especfico (0 100O C) 857 J/Kg OC

    Mdulo de elasticidad 72.000 Mpa

    Mdulo de compresin 73.000 Mpa

    Coeficiente de Poisson 0.33

    Intervalo de fusin 475- 630 OC

    Tabla 7. Propiedades fsicas del Alumold.

    Fuente: Compaa General de Aceros.

    6.2.4. Mecanizado

    OPERACION

    ALUMOLD 500

    HERRAMIENTA DE ACERO RAPIDO

    HERRAMIENTA DE CARBURO

    Desbaste Acabado Desbaste Acabado Torneado

    Velocidad de corte [m/min] 300 a 600 1000 1000 1000 Avance [mm/rev] 0.2 a 0.6 0.05 a 0.2 0.3 a 0.6 0.02 a 0.2

    Profundidad de corte [mm] 3 a 15 0.3 a 3 3 a 15 0.3 a 3 Fresado

    Velocidad de corte [m/min] 300 a 600 1000 1000 1000 Avance [mm/diente] 0.1 a 0.3 0.03 a 0.1 0.1 a 0.3 0.03 a 0.1

    Profundidad de corte [mm] - - - - - - - - 0.5 Taladrado

    Angulo de corte [] 120 140 120 140 Angulo de incidencia [] 8 a 9 8 a 9

    Velocidad de corte [m/min] 30 a 80 50 a 100

    Avance [mm/rev] 0.02 a 0.5 0.02 a 0.5

    Tabla 8. Velocidades y Avances para el mecanizado del Alumold.

    Fuente: Compaa General de Aceros.

  • 86

    6.3. SELECCIN DE LOS CARTUCHOS

    Para la seleccin de estas vlvulas se tuvieron en cuenta varios fabricantes:

    EATON Vickers, REXROTH Bosch, ATOS, Sun Hydraulics, VERION, TDZ. Se

    examin cada una de las opciones y se determin que el fabricante ms

    conveniente para la seleccin de estas vlvulas era Sun Hydraulics debido a su

    economa, experiencia en el mercado y facilidad de envo.

    6.3.1. Operacin de frenado en la plataforma

    La vlvula seleccionada debe tener una vlvula antiretorno incorporada (para

    permitir el flujo en contracorriente a travs de la vlvula) junto con un pilotaje

    hidrulico tanto interno (Tomado de la lnea 1 en el descenso, como se muestra en

    la figura 49) como externo (Tomado de la lnea 2, en el descenso como se

    muestra en la figura 49) de tal forma que se tenga un control total de la lnea de

    suministro de aceite a presin en los cilindro cuando se ejecuta la orden de

    descenso y la lnea que lleva al tanque a travs de la direccional cuando

    igualmente se le da la orden de descenso. Con esto se garantiza evitar el

    desbocamiento de la carga en el movimiento de descenso y una medida de

    seguridad ya que se supervisa por medio del valor de la presin las lneas de

    llegada y salida de aceite de los actuadores.

  • 87

    Figura 49. Lneas hidrulicas de la vlvula contrabalance.

    Fuente: Autores.

    6.3.2. Seleccin del cartucho para el frenado de la plataforma hidrulica

    El cartucho que cumple con los requerimientos anteriormente nombrados para la

    accin del frenado es el modelo CBCA-LHN Sun Hydraulics. Figura 50. La cual

    opera de la siguien